Onderzoekers hebben nanolinten gemaakt van een opkomende klasse van materialen die topologische isolatoren worden genoemd en hebben een magnetisch veld gebruikt om hun halfgeleidereigenschappen te regelen. een stap in de richting van het benutten van de technologie om exotische fysica te bestuderen en nieuwe spintronische apparaten of kwantumcomputers te bouwen.

In tegenstelling tot gewone materialen die ofwel isolatoren of geleiders zijn, topologische isolatoren zijn paradoxaal genoeg beide tegelijkertijd - ze zijn isolatoren van binnen maar geleiden elektriciteit aan het oppervlak, zei Yong P. Chen, een Purdue University universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie en elektrische en computertechniek die samenwerkte met promovendus Luis A. Jauregui en andere onderzoekers.

De materialen kunnen worden gebruikt voor 'spintronische' apparaten en praktische kwantumcomputers die veel krachtiger zijn dan de huidige technologieën. In de nieuwe bevindingen de onderzoekers gebruikten een magnetisch veld om een ​​zogenaamde "helische modus" van elektronen te induceren, een vermogen dat het mogelijk zou kunnen maken om de spintoestand van elektronen te regelen.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die verscheen in de voorafgaande online publicatie van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie op 18 januari en toonde aan dat een magnetisch veld kan worden gebruikt om de nanoribbons een "topologische overgang te laten ondergaan, " schakelen tussen een materiaal met een bandgap op het oppervlak en een materiaal dat dat niet heeft.

"Silicium is een halfgeleider, wat betekent dat het een band gap heeft, een eigenschap die nodig is om de geleiding in en uit te schakelen, de basis voor op silicium gebaseerde digitale transistors om informatie in binaire code op te slaan en te verwerken, " zei Chen. "Koper is een metaal, wat betekent dat het geen band gap heeft en altijd een goede geleider is. In beide gevallen is de aan- of afwezigheid van een bandgap een vaste eigenschap. Het vreemde aan het oppervlak van deze materialen is dat je kunt bepalen of het een band gap heeft of niet door alleen een magnetisch veld aan te leggen, dus het is een beetje afstembaar, en deze overgang is periodiek in het magnetische veld, dus je kunt ermee door veel 'gaps' en 'gapless' staten rijden."

De nanoribbons zijn gemaakt van bismuttelluride, het materiaal achter solid-state koeltechnologieën zoals commerciële thermo-elektrische koelkasten.

"Bismuttelluride is al tientallen jaren het werkpaardmateriaal van thermo-elektrische koeling, maar pas in de afgelopen paar jaar ontdekten mensen dat dit materiaal en verwante materialen deze verbazingwekkende extra eigenschap hebben topologische isolatoren te zijn, " hij zei.

Het papier is geschreven door Jauregui; Michael T. Pettes, een voormalig postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Texas in Austin en nu een assistent-professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Connecticut; Leonid P. Rokhinson, een Purdue-hoogleraar natuurkunde en astronomie en elektrische en computertechniek; Li Shi, BF Goodrich bijzonder hoogleraar materiaalkunde aan de Universiteit van Texas in Austin; en Chen

Een belangrijke bevinding was dat de onderzoekers het gebruik van nanolinten documenteerden om zogenaamde Aharonov-Bohm-oscillaties te meten, wat mogelijk is door elektronen in tegengestelde richtingen te geleiden in ringachtige paden rond de nanoribbons. De structuur van het nanolint - een nanodraad die topologisch hetzelfde is als een cilinder - is de sleutel tot de ontdekking omdat het de studie van elektronen mogelijk maakt terwijl ze in een cirkelvormige richting rond het lint reizen. De elektronen geleiden alleen op het oppervlak van de nanodraden, het opsporen van een cilindrische circulatie.

"Als je elektronen in twee banen rond een ring laat reizen, in linker en rechter paden, en ze ontmoeten elkaar aan het andere uiteinde van de ring, dan zullen ze constructief of destructief interfereren, afhankelijk van het faseverschil gecreëerd door een magnetisch veld, resulterend in een hoge of lage geleidbaarheid, respectievelijk, toont de kwantumaard van elektronen die zich als golven gedragen, ' zei Jauregui.

De onderzoekers demonstreerden een nieuwe variatie op deze oscillatie in topologische isolatoroppervlakken door de spinhelische modus van de elektronen te induceren. Het resultaat is het vermogen om van constructieve naar destructieve interferentie en terug te schakelen.

"Dit levert zeer definitief bewijs dat we de spin-helixelektronen meten, "Zei Jauregui. "We meten deze topologische oppervlaktetoestanden. Dit effect is tot voor kort niet echt overtuigend waargenomen, dus dit experiment levert echt duidelijk bewijs dat we het hebben over deze spin-spiraalvormige elektronen die zich voortplanten op de cilinder, dus dit is een aspect van deze oscillatie."

Bevindingen toonden ook deze oscillatie als een functie van "poortspanning, " wat een andere manier vertegenwoordigt om geleiding van hoog naar laag te schakelen.

"De omschakeling vindt plaats wanneer de omtrek van het nanolint slechts een geheel getal van de kwantummechanische golflengte bevat, of 'fermi golflengte, ' die wordt afgestemd door de poortspanning van de elektronen die zich om het oppervlak wikkelen, ' zei Chen.

Het was de eerste keer dat onderzoekers dit soort poortafhankelijke oscillatie in nanoribbons hebben gezien en het verder correleert met de topologische isolatorbandstructuur van bismuttelluride.

Van de nanolinten wordt gezegd dat ze "topologische bescherming, " voorkomen dat elektronen op het oppervlak terugverstrooien en een hoge geleidbaarheid mogelijk maken, een kwaliteit die niet wordt gevonden in metalen en conventionele halfgeleiders. Ze zijn gemaakt door onderzoekers van de UT Austin.

De metingen werden uitgevoerd terwijl de nanolinten werden gekoeld tot ongeveer min 273 graden Celsius (bijna minus 460 graden Fahrenheit).

"We moeten bij lage temperaturen werken om de kwantummechanische aard van de elektronen te observeren, ' zei Chen.

Toekomstig onderzoek zal werk omvatten om de nanodraden verder te onderzoeken als een platform om de exotische fysica te bestuderen die nodig is voor topologische kwantumberekeningen. Onderzoekers zullen ernaar streven de nanodraden te verbinden met supergeleiders, die stroom geleiden zonder weerstand, voor hybride topologische isolator-supergeleidende apparaten. Door topologische isolatoren verder te combineren met een supergeleider, onderzoekers kunnen mogelijk een praktische kwantumcomputer bouwen die minder vatbaar is voor de milieuonzuiverheden en verstoringen die tot nu toe voor uitdagingen hebben gezorgd. Zo'n technologie zou berekeningen uitvoeren met behulp van de wetten van de kwantummechanica, waardoor computers veel sneller zijn dan conventionele computers bij bepaalde taken, zoals het doorzoeken van databases en het breken van codes.